Neue Methode ermöglicht 3D-Druck von lichtempfindlichen Hydrogelstrukturen

Ein internationales Forschungsteam hat Goldnanostäbchen in Hydrogele eingebettet, die durch 3D-Druck zu Strukturen verarbeitet werden können, die sich zusammenziehen, wenn sie mit Licht bestrahlt werden, und sich wieder ausdehnen, wenn das Licht entfernt wird. Da diese Ausdehnung und Kontraktion wiederholt durchgeführt werden kann, können die 3D-gedruckten Strukturen als ferngesteuerte Aktoren dienen.

Hydrogele sind Polymernetzwerke, die Wasser enthalten, und kommen in Produkten wie Kontaktlinsen und Windeln vor. Technisch gesehen haben die Forschenden jedoch kein Hydrogel direkt gedruckt, sondern eine Lösung, die Goldnanostäbchen und alle notwendigen Zutaten zur Herstellung eines Hydrogels enthält.

„Wir wussten, dass man Hydrogele in 3D drucken kann, die sich zusammenziehen, wenn sie erhitzt werden“, sagt Joe Tracy, Mitverfasser eines Artikels über die Arbeit und Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der North Carolina State University. „Und wir wussten, dass man Goldnanostäbchen in Hydrogele einbauen kann, die sich bei Lichteinwirkung reversibel zusammenziehen. Wir wollten einen Weg finden, Goldnanostäbchen in Hydrogele einzubauen, die es uns ermöglichen würden, fotoempfindliche Strukturen in 3D zu drucken.“

Da die Prä-Hydrogel-Lösung aus dem 3D-Drucker eine sehr niedrige Viskosität aufweist, kann sie nicht auf ein normales Substrat gedruckt werden, da sie sonst verlaufen würde. Um dieses Problem zu lösen, druckten sie die Lösung in eine transparente Mischung aus Gelatinemikropartikeln in Wasser. Die Druckerdüse kann in die Gelatinemischung eindringen und die Lösung in die gewünschte Form bringen. Da die Gelatine lichtdurchlässig ist, kann Licht die Matrix durchdringen und die Lösung in ein festes Hydrogel umwandeln. Anschließend wird das Ganze in warmes Wasser getaucht, wodurch die Gelatine schmilzt und die 3D-Hydrogelstruktur freigibt.

„Und wenn diese gedruckte Lösung mit Licht bestrahlt wird, bilden die Polymere in der Lösung eine vernetzte Molekularstruktur“, sagt Julian Thiele, Mitautor der Arbeit und Lehrstuhlinhaber für Organische Chemie an der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg. „Dadurch wird die Lösung zu einem Hydrogel, in dem die eingeschlossenen Goldnanostäbchen im gesamten Material verteilt sind.“

Wenn diese Hydrogelstrukturen Licht ausgesetzt werden, wandeln die eingebetteten Goldnanostäbchen das Licht in Wärme um. Dadurch ziehen sich die Polymere im Hydrogel zusammen, was das Wasser aus dem Hydrogel drückt und die Struktur schrumpfen lässt. Wenn das Licht entfernt wird, kühlen die Polymere ab und beginnen, wieder Wasser aufzunehmen, wodurch sich das Hydrogel auf seine ursprünglichen Dimensionen ausdehnt.

„Es wurde bereits viel an Hydrogelen gearbeitet, die sich unter Hitzeeinwirkung zusammenziehen“, sagt Melanie Ghelardini, Erstautorin der Arbeit und ehemalige Doktorandin an der NC State University. „Wir haben jetzt gezeigt, dass man dasselbe tun kann, wenn das Hydrogel Licht ausgesetzt wird, und dass man dieses Material auch in 3D drucken kann. Das bedeutet, dass Anwendungen, die bisher eine direkte Wärmezufuhr erforderten, nun durch Beleuchtung aus der Ferne ausgelöst werden können.“

„Im Gegensatz zum konventionellen Formguss bietet der 3D-Druck von Hydrogelstrukturen eine nahezu unbegrenzte Gestaltungsfreiheit“, sagt Thiele. „Und es ermöglicht die Vorprogrammierung einer eindeutigen Bewegung während der lichtgesteuerten Kontraktion und Expansion unseres fotoempfindlichen Materials.“

Die Forschungsergebnisse wurden in der Open-Access-Zeitschrift Polymers veröffentlicht und von einem Team von Wissenschaftlern der Leibniz-Institute für Polymerforschung Dresden und der Technischen Universität Dresden mitverfasst.